卡拉贝利枢纽工程坝料现场大型剪切试验研究

王秀东

(新疆卡拉贝利水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什 844000)

0 引 言

卡拉贝利水利枢纽工程拟建在克孜河上，是一座具有防洪、灌溉、发电等综合效益的水利枢纽工程，位于喀什市西北，距喀什市165 km(直线距离88 km)。根据《水利水电工程等级划分和洪水标准》[1](SL 252-2000)，工程等别为Ⅱ等工程，工程规模为大(Ⅱ)型。大坝为混凝土面板砂砾石坝，大坝等级须提高一级，为1级建筑物。根据《中国地震动参数区划图》[2](GB 183061-2001)，坝址区地震基本烈度为Ⅷ度强，根据《水工建筑物抗震设计规范》[3](SL 203-1997)，大坝设防地震烈度应该在基本烈度基础上提高一度，设计地震烈度为Ⅸ。

由于室内试验仪器的尺寸限制，目前大型静动力三轴试验最大试样直径为30 cm，试验允许最大粒径60 mm，只能对所谓的模拟试验级配进行试验。由于实际坝料颗粒级配与模拟试验级配的差别显著，加上实际填筑坝料级配有较大分散性，级配曲线变化大，室内制样与现场碾压条件也有差别，对模拟试验级配下试验控制密度的确定问题一直没有很好解决。本次研究工作就是通过开展现场大型剪切试验研究确定大坝填筑料的抗剪强度指标，为进行大坝优化设计和确定施工技术参数提供科学依据。

1 筑坝材料和试验土料

现场大型直剪试验土料为主堆砂砾石料(C3料场)和垫层料两种坝料，采用设计级配(原级配)配料，制样干密度采用实际上坝填筑干密度控制，主堆砂砾石料为2.37 g/cm3，垫层料为2.36 g/cm3。

2 现场大型直剪试验

2.1 试验设备和方法

卡拉贝利主堆砂砾石料和垫层料现场大型直剪试验的设备主要由如下构件组成：剪切盒、下盖板、滚排、上盖板、自反力框架、垂直向1 000 t千斤顶、水平向1 000 t千斤顶等。其中剪切盒的边长为150 cm×150 cm，剪切盒高度122 cm，其中下剪切盒的高度为44 cm。直剪试验的垂直向荷载是通过主梁和副梁传递到4根反力桩承担，水平荷载由自反力框架承担。垂直向位移由安装在上盖板上的4只位移传感器测量，百分表由磁性表架固定在基准梁上，水平向位移由安装在剪切盒两侧剪切缝处的2支位移传感器测量。现场大型直剪试验示意图见图1。

直接剪切试验是在制备好的试样上，施加一垂向荷载(即法向应力)，待沉降稳定后，分级施加水平荷载(水平推力)，记录剪切荷载及剪切位移，直至破坏。对同一组试验内各试样所施加的垂向荷载σv(法向应力)、抗剪峰值τ(剪应力)，采用最小二乘法线性回归分析，便可得到试验料的c(黏聚力)、φ(内摩擦角)。试验参照《土工试验规程》[4](SL 237-1999)进行。

图1 现场大型直剪试验示意图

2.2 试验操作步骤

2.2.1 试样制备和安装

1) 将下剪切盒平稳安装好，并在下剪切盒上安放钢珠，控制剪切开缝尺寸为(1/3～1/4)dmax，然后将上剪切盒放上，使上下盒同心，并用固定插销定位。

2) 安装水平千斤顶，使水平千斤顶的着力线通过剪切面的中心。

3) 按碾压试验确定的设计上坝材料级配曲线进行备料。根据试验要求的干密度、含水率和试样尺寸，计算并称取试验所需的土样数量，分层称取试验所需的土样。

4) 试样土料拌匀后，分3层装入剪切盒内，每一层击实至要求的高度。再填第二层。重复上述步骤至最后一层，整平表面。

5) 对于饱和试样采用塑料布隔水，在试样装填完成后充分浸水饱和。

6) 在装填完成的试样面上，依次放上下压板、滚排、上压板和垂直千斤顶等。要求安装对中，传压板应用水平尺校平。在上压板上对称安装4个垂直位移传感器。

7) 安装主梁，使其与副梁、反力桩组成垂直加载反力构架。

2.2.2 固结和剪切

1) 在试样上施加垂直荷载并变形稳定后，为固结完成。测记此时垂直百分表读数。

2) 试样达到固结稳定后，施加水平荷载，每隔1 min测记1次水平位移读数和垂直位移读数，达到变形稳定后再施加下一级水平荷载。起始水平荷载每级按垂直荷载的7%～10%施加，当某级水平荷载下的剪切位移超过前一级剪切位移的1.5～2.0倍时，改为按5%施加。

3) 当水平荷载读数不再增加或剪切变形急骤增长，即认为已剪坏。若无上述两种情况出现，应控制剪切变形达试样直径的1/5～1/10，方可停止试验。

2.3 试验数据整理

1) 按下列公式计算垂直应力和剪应力：

(1)

(2)

PV=CVRV

(3)

Ph=ChRh

(4)

式中：σ、τ分别为垂直压力和剪应力，kPa；Pv、Ph分别为垂直荷载和水平荷载，kN；Cv、Ch分别为垂直千斤顶和水平千斤顶上压力表的率定系数，kN/kPa；Rv、Rh分别为垂直和水平千斤顶压力表读数，kPa；F为某垂直压力下仪器摩擦力，kN；Δp为附加垂直荷载，包括透水板、传压板和千斤顶的重力，千斤顶以上的设备重力不计算在内，kN；A为试样面积，m2。

以剪应力和垂直变形为纵坐标，水平位移为横坐标，分别绘制某级垂直压力下剪应力τ与水平位移ΔL关系曲线和垂直变形Δs与水平位移ΔL关系曲线。

2) 取剪应力τ与水平位移ΔL关系曲线上峰值或稳定值作为抗剪强度。如无明显峰值，则取水平位移达到试样直径1/15～1/10处的剪应力作为抗剪强度S。

3) 以抗剪强度τf为纵坐标，垂直应力σv为横坐标，绘制抗剪强度τf与垂直应力σv的关系曲线。直线的倾角为粗颗粒土的内摩擦角φ，直线在纵坐标轴上的截距为粗颗粒土的黏聚力c。

2.4 试验内容和试验结果

采用现场大型直剪切仪对卡拉贝利枢纽工程主堆砂砾石料和坝垫层料的抗剪强度特性进行研究，主堆砂砾石料和坝垫层料的试验控制干密度参照坝体实际填筑干密度进行。具体试验方案见表1。

表1 现场大型直剪试验的试验内容和试验条件

饱和试样的制备采用在剪切盒中加衬塑料布的方法进行，为防止塑料布在试验土料振密过程中破损，在振动时在剪切合四周垫衬木板，木板与塑料布之间再加衬橡胶板。制样完成后，对试样进行充分浸水饱和，试验时将剪切缝处的塑料布用刀子划开以便固结排水。本次大型直剪试验分别按线性和非线性给出抗剪强度指标，线性强度指标是指在不同的垂直压力σv下测得不同的抗剪度强τf和σv的关系符合式(5)所示的库伦公式。

τf=C+σvtanφ

(5)

式中：τf为抗剪度强，kPa；C为黏聚力，kPa；σv为垂直压力，kPa；φ为内摩擦角。

非线性强度指标是通过绘制每一级垂直应力σv下通过圆点的强度线，得出的φi值。这个φi值是指某一个垂直应力σv下的φ值。其有效内摩擦角φ′采用如下的表达式：

φ′=φσΔφlg(σv/Pa)

(6)

式中：φσ为围压为一个大气压时的内摩擦角，(°)；Δφ为随压力变化的内摩擦角，(°)；σv为垂直应力，kPa；Pa为标准大气压，100 kPa。

整理后，试验结果见表2。

表2 试验土料的抗剪强度指标

从表2可以看出，主堆砂砾石料的强度指标比垫层料稍高。主堆砂砾石料的干燥样和饱和样的有效摩擦角差别小于垫层料的干燥样和饱和样的有效摩擦角的差别，这可能与垫层料小于5 mm的细粒含量较多有关。

2.5 小 结

现场主堆砂砾石料直剪试验见图2，现场垫层料直剪试验见图3。

由图2、图3可知，对原级配实际坝料进行高应力下(最高达1.5 MPa)、大尺寸(150 cm×150 cm)的现场大型直剪试验，直接得到的实际坝料真实剪切性能、剪切强度参数和设计指标如下：

1)对于主堆砂砾料干燥样，试验干密度2.37 g/cm3，得到线性强度指标黏结力c为121 kPa，摩擦角φ为44.8°；非线性强度指标φσ为57.4°，⊿φ为8.82°。

2) 对于主堆砂砾料饱和样，试验干密度2.37 g/cm3，得到线性强度指标黏结力c为118.2 kPa，摩擦角φ为43.4°；非线性强度指标φσ为56.6°，⊿φ为9.4°。

图2 现场主堆砂砾石料直剪试验

图3 现场垫层料直剪试验

3) 对于垫层砂砾料干燥样，试验干密度2.36 g/cm3，得到线性强度指标黏结力c为125.7 kPa，摩擦角φ为42.1°；非线性强度指标φσ为57.1°，⊿φ为10.8°。

4) 对于垫层砂砾料饱和样，试验干密度2.36 g/cm3，得到线性强度指标黏结力c为115.5 kPa，摩擦角φ为40.5°；非线性强度指标φσ为54.7°，⊿φ为10.1°。

3 结 论

1) 由于尺寸效应，室内试验(目前国内大型直剪试验最大尺寸为80 cm×80 cm)得到抗剪强度参数及设计指标，难以反映实际坝料真实性能。对原级配实际坝料进行高应力下(最高达1.5 MPa)、大尺寸(150 cm×150 cm)的现场大型直剪试验，国内外少见。可以直接得到实际坝料真实剪切性能、剪切强度参数和设计指标。

2) 图2和图3为线性抗剪强度试验结果，表2给出了线性抗剪强度指标和非线性抗剪强度指标，可以直接供设计参考使用，对其他工程也有重要的参考价值。

3) 现场大型直接剪切试验得到的实际坝料真实的剪切性能、剪切强度参数等，是进行尺寸效应研究的宝贵资料和比较基础。